利用栅极增强等离子体源离子注入(GEPSII)方法对管道工件内表面进行离子注入改性处理.该方法利用同轴的中心电极和筒状栅网电极之间的rf高频振荡产生等离子体,栅网电极接地,管件上加负高压驱动离子注入管件内壁.该方法能同时在管件内提供密度均匀的等离子体及注入电场,使管件内壁离子注入成为可能.中心电极材料的射频溅射可以为系统提供金属离子源.该文讨论了GEPSII方法原理及其在等离子体源离子注入材料内表面改性中的应用相关物理问题.设计、改进GEPSII装置,利用Langmuir探针、发散光谱仪对等离子体特性进行测试,利用表面分析手段对应用GEPSII方法在45号钢基材表面制备氮化钛(TiN)薄膜过程中离子与基底表面的物理过程进行研究,对样品的耐腐蚀性、硬度及摩擦性能进行分析.分析结果表明,工作气压为10~30Pa时,等离子体相对稳定,电子温度和等离子体密度随rf功率增加而增加.但随着N<,2>气压升高电子温度降低而等离子体密度增加.TiN主要沿(111)和(200)晶面择优生长,深度分析显示膜的厚度只有几十纳米,膜质地均匀且在基底有一定的嵌入深度.样品表面颜色随气压变化,高气压下为金黄色,低气压下为蓝紫色.表面颗粒大小有20~50纳米,呈岛状生长方式.分析显示注入生成的TiN膜能够提高基底的耐腐蚀性能、硬度及摩擦性能,其中直流注入对耐腐蚀性能改善较好但对硬度提高有限,而脉冲注入对硬度改善很好对耐腐蚀性能提高有限.在实验中发现当注入电压太高、工作气压太低时在注入表面容易产生栅网的阴影效应,适当降低注入电压增大工作气压,以及使用小半径栅同多有助于改善阴影效应;一个50G的轴向磁场,可以增加管件内等离子体密度,产生环向等离子体流运动,增加管件内等离子体均匀性,改善栅极阴影效应.